视觉特性课件

第一章视觉特性与三基色原理教学目的1、了解光的特性，掌握人眼的视觉特性。2、理解三基色原理、熟练掌握各种计色制的特点及其描述彩色的方法。3、掌握与彩电相关的显像三基色及彩电重现彩色的原理。第一章视觉特性与三基色原理教学内容1、光的特性2、人眼的视觉特性。3、三基色原理、色度图，RGB计色制、XYZ计色制4、彩电的显像三基色、显像三基色的色系数方程与亮度方程。5、彩电彩色的重现。第一章视觉特性与三基色原理教学重点难点1、光的度量，描述彩色的量2、眼睛的视觉范围、分辨力、视觉惰性。3、三基色原理、RGB计色制、XYZ计色制基本原理4、显像三基色、彩色重现的过程。第一章视觉特性与三基色原理§1.11电磁辐射与可见光谱光的粒子学说光的波动学说

光是一种电磁波，在整个电磁波的波谱内，可见光的范围是：光第一章视觉特性与三基色原理§1.11电磁辐射与可见光谱光的粒子学说光的波动学说

光是一种电磁波，在整个电磁波的波谱内，可见光的范围是：光第一章视觉特性与三基色原理§1.11光源彩色感觉：一定可见光谱成分作用于人眼引起的视觉效果。景物的彩色：光源发出的光谱成分被景物反射（透射）或吸收了某些成分，再作用于人眼，而形成了景物的彩色感觉。第一章视觉特性与三基色原理§1.11光源色温当绝对黑体被加热时，将以电磁波形式向外辐射能量，其辐射波谱仅由温度决定。是表征光谱特性的参量第一章视觉特性与三基色原理§1.11光源标准光源A光源：波谱能量主要集中在红外线区域，相当于钨丝在2800K时发出的光，色温2854K。如白炽灯B光源：接近正午直射的阳光。色温4800K。第一章视觉特性与三基色原理§1.11光源标准光源C光源：相当于白天的自然光，色温6770K，含蓝色成分较多，波谱能量集中在400－500nmD65光源：相当与白天平均光照。色温6500K，比B光源、C光源更接近太阳光，常用作照明光源。彩电也是以D65光源作为标准白光。第一章视觉特性与三基色原理§1.2人眼的视觉特性眼睛的构造瞳孔：由虹膜的环状肌肉来调节瞳孔的大小。控制进入人眼的光通量。第一章视觉特性与三基色原理§1.2人眼的视觉特性眼睛的构造视网膜：由大量的光敏细胞（杆状细胞、锥状细胞）组成。杆状细胞：分布在视网膜边缘，在低照度时，主要由它辨别明暗，对彩色不敏感锥状细胞：分布在视网膜中心，能辨别光的强弱，也能辨别彩色。第一章视觉特性与三基色原理§1.2人眼的视觉特性眼睛的构造黄斑区：集中了大量锥状细胞，每个锥状细胞连接一个神经末梢，黄斑区的分辩率最高，具有最高清晰度。第一章视觉特性与三基色原理§1.2光的度量视觉光谱光效率曲线为了表示不同波长光与引起视觉亮度感觉的关系，我们引入视觉光谱光效率曲线来说明。视觉光谱光效率曲线：标准观察者在产生相同亮度感觉的情况下，测出不同波长光的辐射功率φY(λ)，则可以反应出人眼对各种波长光的敏感程度。

φY(λ)越大，则表明该波长光对人眼不敏感，即光效率低。因此，把1/φY(λ)作为衡量视觉对波长为λ的光的敏感程度，即光效能K(λ)。因为这是主观感觉，要有一个相对参考量，选人眼最敏感的黄绿光(λ＝555nm)作为参考量进行归一化处理。得到光谱光效率函数V(λ)第一章视觉特性与三基色原理§1.2光的度量视觉光谱光效率曲线第一章视觉特性与三基色原理§1.2光的度量光学度量单位发光强度：坎[德拉]cd1979年，CIE又对坎德拉规定了新的标准：定义频率为540×1012Hz（即波长555nm）的单色光源每单位立体角（1个球面度）辐射能为1／683W时的发光强度。这个定义把光强单位和能量绝对单位联系起来了，含义覆盖面更广了。特别规定单色光源的波长，进一步把光的波长和机械能与亮度和光强联系起来。

第一章视觉特性与三基色原理§1.2.3亮度、彩色与立体感觉明暗视觉在白天正常光照下，人眼对不同波长光的敏感程度称为明视觉光谱光效率曲线

在夜晚或微弱光线下，人眼对不同波长的敏感程度称为暗视觉光谱光效率曲线与明视觉光谱光效率曲线有所不同，对波长短的光敏感程度增加。第一章视觉特性与三基色原理§1.2.3亮度、彩色与立体感觉彩色视觉描述彩色的三个参量：亮度（明度），色调，色饱和度

亮度：光作用于人眼时所引起的明亮程度感觉。色调：反应颜色的类别。彩色物体的色调决定于物体本身的属性（吸收特性和反射特性或透射特性）决定，也与光源特性（光谱分布）有关。透光物体的色调色饱和度：彩色光所呈现的彩色的深浅程度（浓度）高饱和度的彩色光可以因掺入白光而被冲淡，变为低饱和度彩色光第一章视觉特性与三基色原理§1.2.3亮度、彩色与立体感觉颜色立体视觉模型第一章视觉特性与三基色原理§1.2.4眼睛的视觉范围与亮度感觉视觉范围人眼所能感觉到的亮度范围非常宽（百分之几cd－几百万cd）但人眼适应了某一环境的平均亮度后，视觉范围就小多了。在适当的平均亮度下，能分辨的最大亮度与最小亮度之比为1000：1在平均亮度很低时，能分辨的最大亮度与最小亮度之比为10：1对比度：景物和图像中最大亮度Lmax与最小亮度Lmin的比值第一章视觉特性与三基色原理§1.2.4眼睛的视觉范围与亮度感觉亮度感觉人眼察觉亮度变化的能力是有限的，在不同的背景中能察觉的最小亮度变化△Lmin是不同的。在一个均匀的亮度背景下，△Lmin/L为一常数ξ，ξ为相对灵敏度阀值。△Lmin为可见度阀值。ξ一般取0.005－0.02，当背景很亮或很暗是ξ会达到0.05，观看电视图像时ξ会更大。电视中灰度级数的确定（影响视频带宽）即是依据此。第一章视觉特性与三基色原理§1.2.4人眼的分辩率与空间频率响应视觉的空间频率响应空间频率：单位视角（1º）内所含黑或白的条纹数空间频率用v表示，单位为：线/度第一章视觉特性与三基色原理§1.2.4人眼的分辩率与空间频率响应彩色细节分辩率人眼对彩色细节的分辨能力远比对黑白的分辨能力低第一章视觉特性与三基色原理§1.2.4人眼的分辩率与空间频率响应彩色细节分辩率彩电中大面积着色原理即是依据此。第一章视觉特性与三基色原理§1.2.4人眼的分辩率与空间频率响应彩色色调分辩閥人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分辨閥。色光的波长不同，人眼的色调分辨閥不同。对480-640nm区间的色光分辨力较高。第一章视觉特性与三基色原理§1.2.4人眼的分辩率与空间频率响应彩色饱和度分辨力对不同颜色，人眼能分辨出彩色饱和度变化的灵敏度是不一样的。黄色区域最低，红蓝色区域最高第一章视觉特性与三基色原理§1.2.6视觉惰性与闪烁感觉视觉惰性一定强度的光突然作用于人眼的视网膜时，不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉，而存在一个短暂的过渡过程。当光消失时，亮度感觉也并不瞬时消失，而是按近似指数函数的规律逐渐减小。第一章视觉特性与三基色原理§1.2.6视觉惰性与闪烁感觉视觉闪烁视觉闪烁感觉：是指低频断续光刺激，使人产生一明一暗的感觉

当光脉冲重复频率达到一定值以上，人眼不产生闪烁光源的感觉，则这个临界值称之为临界闪烁频率

临界闪烁频率主要与光脉冲亮度有关电视机场频的选择，隔行扫描思想的提出，均与之相关第一章视觉特性与三基色原理§1.3三基色原理与色度图三基色原理在自然界中，绝大多数的彩色光都可以分解为红（Red）、绿（Green）、篮（Blue）三种基色光；相反，利用红、绿、篮三种基色光按不同比例混合，又可以模拟出自然界的绝大多数的彩色。这个规律称为三基色原理。彩色电视系统最基本的原理第一章视觉特性与三基色原理§1.3三基色原理与色度图三基色原理特点：

三基色的选择不是唯一的。在彩色电视中选择红、绿、篮作为三基色是因为人眼对这三种基色的光最敏感。三基色必须是相互独立的，即其中任一种基色不能由另两种基色混合产生。合成后的彩色的色调和饱和度由三基色的比例决定；它的亮度等于三基色亮度的总和。彩色电视系统最基本的原理第一章视觉特性与三基色原理§1.3三基色原理与色度图混色方法在彩色电视中采用相加混色法。相加混色法有直接混色法和间接混色法两种

直接混色法：是把三种等量的基色光同时投射到一个白屏幕上，会得到不同的颜色第一章视觉特性与三基色原理§1.3三基色原理与色度图混色方法间接混色法——是利用人眼视觉的特性进行混色的。通常可分为时间混色法和空间混色法

时间混色法:将三种基色的光轮交替的投射到白屏幕上，只要色轮的转速够快，利用人眼视觉暂留特性，可得到与直接混色法相同的效果

第一章视觉特性与三基色原理§1.3三基色原理与色度图混色方法

时间混色法:将三种基色的光轮交替的投射到白屏幕上，只要色轮的转速够快，利用人眼视觉暂留特性，可得到与直接混色法相同的效果

第一章视觉特性与三基色原理§1.3三基色原理与色度图混色方法

空间混色法：将三种基色光点同时投射到白屏幕上的三个相邻点上，当三个点足够近时，利用人眼的分辨力有一定限度的特性，就能产生与直接混色法相同的效果第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制三基色的选定选择三种基色光的基本条件：一是它们之间必须是线性无关；二是由它们合成的彩色色域应尽量宽。

根据大量的实验认为，用红、绿、蓝三色光作为相加混色的三基色光最为适当。彩色电视即是选用该三基色利用相加混色法显现各种颜色的。

第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制三基色的选定CIE规定三基色波长各为：标准红基色的波长选为700nm，标准绿基色光选为546.1nm，标准蓝基色光为435.8nm称为物理三基色第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制配色实验通过配色实验，确定配出各种色调的彩色光，所需的红绿蓝三基色的比例。

CIE还规定：1个单位的上述红、绿、蓝三基色光混合时，恰能产生出等能白（即E白）光。FE白＝1(R)+1(G)+1(B)这时的红、绿、蓝的单位量称基色单位，并用符号(R)、(G)、(B)标记。三个基色单位(R)、(G)、(B)的光通量之比为1:4.5907：0.0601这样，任意一种彩色光F可用下式表示：

F=R(R)+G(G)+B(B)第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制配色实验这样，任意一种彩色光F可用下式表示：

F=R(R)+G(G)+B(B)第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制配色方程F=R(R)+G(G)+B(B)根据混色实验，可以得出任意彩色光的RGB色系数。若某一待混配色，经试验确定为1、2、4份红、绿、蓝基色混合而成时，则可写成：

F1=1(R)+2(G)+4(B)经过实验，得出各种谱色光的RGB配色系数如表1-3

第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制配色方程F=R(R)+G(G)+B(B)分布色系数：混配出单位辐射功率，波长为λ的单色光所需的三个基色光的单位数。因为：F＝R(R)＋G(G)＋B(B)

光通量之比（r）：（G）：（B）＝1：4.5907：0.0601

选（R）光通量为1lm则|F|＝（R＋4.5907G＋0.0601B）lm则把刚才实验得到谱色光的配色系数进行一定的比例转换，使|F|＝1lm得到表1-3所示分布色系数。第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制配色方程F=R(R)+G(G)+B(B)在坐标上，描绘出不同波长谱色光的分布色系数。则得到RGB制混色曲线，表示为配出等能光谱分布中单色光所需要的三个基色光的单位数第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制RGB色度图相对色系数：当规定所用三基色单位总量为1时，为配出某给定色度的彩色光所需（R）（G）（B）的数值。相对色系数以r、g、b表示，则r+g＋b＝1由刚才所得到的分布色系数进行归一化处理第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制RGB色度图则得到相对系数配色方程该方程组决定只有两个变量，所以可以用r－g直角坐标系表示各种色度结合查表1-3，可得到RGB色度图第一章视觉特性与三基色原理§1.3.2RGB计色制RGB色度图谱色轨迹非谱谱色光E白色饱和度第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制三基色单位（X）（Y）（Z）的确定在选择三基色单位（X）、（Y）、（Z）时，须满足下列三个条件：

1)用它们配出实际彩色时，三个色系数X、Y、Z均为正值；

2)为便于计算，使合成彩色光的亮度仅由（Y）一项的系数Y确定，与X、Z无关。并且规定1(Y)的光通量为1光瓦。虽然另两个基色不构成混合色的亮度，但合成光的色度仍然由X、Y、Z的比值确定；

3)当X=Y=Z时，代表等能白光E白。

第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制三基色单位（X）（Y）（Z）的确定RGB计色制－XYZ计色制：根据以上条件，可从物理三基色单位（R）、（G）、（B）确定出计算三基色单位（X）、（Y）、（Z）在RGB色度图上的位置，导出两套计色系统中三色系数RGB与XYZ之间的换算关系，可以找出XYZ坐标系与RGB坐标系之间的关系，据此可以画出XYZ系统的色度图，进行相应的彩色计算。第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制三基色单位（X）（Y）（Z）的确定根据条件一，（X）（Y）（Z）三点形成的三角形包含RGB色度图根据条件二，（X）（Z）连线上亮度为0，即光通量为0第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制三基色单位（X）（Y）（Z）的确定且得出（X）（Z）直线方程：第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制三基色单位（X）（Y）（Z）的确定谱色轨迹中700nm至640nm一段几乎是一条直线，据此画一条直线，将其延长作为(x)(Y)线。已知700nm谱色点的坐标是r=1、g=0、b=0;640nm谱色点的坐标是r=0.9797、g=0.205、b=-0.0002，根据解析几何学知识，列出通过这两点的直线方程为：第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制三基色单位（X）（Y）（Z）的确定要求所有实际彩色的X、Y、Z均为正值,确定另一条直线。该条直线的确定有较大自由，可在左半谱色曲线上选择一点作切线得到，CIE规定选用略微离开504nm点的切线的平行线，其方程为：第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制三基色单位（X）（Y）（Z）的确定联立以上三个方程，求出任意两条线的交点，即得出了(X)、(Y)、(Z)在RGB色度图上的位置，它们的坐标分别为：第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制1(x)1(y)1(z)与1(R)1(G)1(B)的换算关系条件1：任一彩色光均可认为是由物理三基色以适当比例混合出来的，将1(X)、1(Y)、1(Z)各当做一种色光，并在RGB系统中用混色公式表示为：第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制1(x)1(y)1(z)与1(R)1(G)1(B)的换算关系在选基色时要求：1(X)+1(Y)+1(Z)是亮度为1流明的等能E白，因此：对于E白，其三色系数相等，且1(R)+1(G)+1(B)＝5.6508lm，所以1lmE白的RGB表示式可写成：第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制1(x)1(y)1(z)与1(R)1(G)1(B)的换算关系比较以上两式的系数，得到：第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制1(x)1(y)1(z)与1(R)1(G)1(B)的换算关系代入方程：得到：第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制RGB坐标到XYZ坐标转换色系数XYZ与RGB的转换的原则是：

原则1）：对任意色光F，在XYZ系统和RGB系统中存在关系：

F＝X(X)+Y(Y)+Z(Z)=R(R)+G(G)+B(B)

原则2）：选取基色量时要求的条件为1(X)+1(Y)+1(Z)的亮度为1lm等能E白，写出：即RGB计色制配色系数与XYZ计色制配色系数的关系第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制RGB坐标到XYZ坐标转换F＝X(X)+Y(Y)+Z(Z)=R(R)+G(G)+B(B)比较R、G、B的系数第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制RGB坐标到XYZ坐标转换系数R、G、B与X、Y、Z的关系用矩阵表示为：系数X、Y、Z与R、G、B的关系用矩阵表示为上面所求矩阵的逆矩阵亮度方程：Y＝R＋4.5907G＋0.0601B第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制RGB坐标到XYZ坐标转换由以上矩阵关系，可得出XYZ分布色系数与RGB分布色系数的关系，从而可得出XYZ分布色系表1-4。可得出XYZ制混色曲线第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制XYZ色度图与RGB标识三色系统相同，在XYZ系统中表征彩色光的色度时也是只取决于XYZ的比值，也要引入色模m’，m’＝X＋Y＋Z则XYZ制相对色系数x＝X/m’;y=Y/m’;z=Z/m’得出相对色系数表1-4显然x+y+z=1，因此XYZ制相对色系数也是与两个变量有关，可以在XY坐标上表示出来，从而得到XYZ制色度图。第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制XYZ色度图第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制XYZ色度图从380nm到780nm的谱色轨迹形成一条舌形曲线全部位于第一象限内，舌形曲线上的每一点对应于一种波长的谱色光。将380nm和780nm两点连接起来的连线是非谱色光，代表不同的（偏红或偏蓝）品色。从而得到一个封闭的舌形曲线，自然界中一切实际彩色的色度在舌形区内都有对应的坐标位置。E白的色度坐标应是x=y=z=1/3。图中还同时标出了各种基准白的色度坐标位置。E白为饱和度为0％的白色区域，舌形曲线边缘是饱和度为100％的各种

谱色色调，中央到边缘是饱和度自0％向100％渐增的各种色调。第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制色域图根据不同坐标处颜色的不同，可以将曲线所包围的面积大致分成若干小区，每区域都标出该处颜色的名称，就得到了色域图。第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制等色调波长线与等饱和度线在色度图上，可用主波长和色饱和度表征颜色的色调和色饱和度。由于色光的色调与波长对应，故将色度图上的坐标点与基准白（如E白）连线的延长线与谱色轨迹交点对应的波长称为色光的主色波长，它与色调相对应。因此又称为等色调波长线。如图，F1，F1’主波长相同。第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制等色调波长线与等饱和度线在图中色三角形△EBR内的彩色不存在主波长线，这时可将辐射线反向延长后的主波长线作为表征它的补色波长。如光色K1与K1’的主波长是λ1的补色波长。第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制等色调波长线与等饱和度线从图上可计算色饱和度，因为谱色轨迹的颜色饱和度为100％＝1，参考白的色饱和度为0，则的色饱和度Sc可用下式计算为：将色饱和度相同的各彩色点连线所构成的封闭曲线称为等饱和度线第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制等色差域图人眼分辨彩色变化的能力是有限的，而且随着颜色的种类及其变化趋势的不同有所不同。在色度图的不同位置，不同方向的颜色变更，人眼的分辨能力是不同的刚变差第一章视觉特性与三基色原理§1.3.3XYZ计色制均匀色差制第一章视觉特性与三基色原理§1.4彩色的重现彩电彩色重现的基本思想根据三基色原理，自然界中绝大多数彩色都可以通过混合调配的方法仿制出来，引起相同的彩色感觉。摄取景物时，用三个具有适当光谱响应的摄像管分别取得代表三个彩色光分量的信号，经过适当的处理与传送，再通过重现设备转换成按原比例混合的彩色光，就可以实现彩色景物的重现。第一章视觉特性与三基色原理§1.4.1显像三基色显像三基色的确定显像三基色的选取要考虑两方面：首先，三基色荧光粉的光色应尽可能接近物理三基色，以使显像三基色构成的彩色三角形的面积尽量大，即重现的色域尽量大；其次，所选三基色荧光粉的发光效率应足够高，以使彩色图像足够高的亮度。第一章视觉特性与三基色原理§1.4.1显像三基色显像三基色的确定第一章视觉特性与三基色原理§1.4.1显像三基色的色系与亮度方程亮度公式的推导1953年的NTSC制荧光粉为例推导出亮度公式因为显像三基色各为1单位时，混配出1lmE白即:1(Re)+1(Ge)+1(Be)=1Fc白（1lm）根据Re、Ge、Be在XYZ计色制中的位置，又有：第一章视觉特性与三基色原理§1.4.1显像三基色的色系与亮度方程亮度公式的推导得：第一章视觉特性与三基色原理§1.4.1显像三基色的色系与亮度方程亮度公式的推导又根据(X)(Y)(Z)混配出Fc白的公式：上式中，光通量为1lm，故：结合C白在XYZ计色制的值x＝0.310，y＝0.316，z＝0.374所以(X)(Y)(Z)混配出Fc